Tipos de Lámparas de descarga
El descubrimiento de la lámpara de descarga precede significativamente al de la lámpara incandescente. Los laboratorios de física del pasado así como los del presente utilizan una gran variedad de tubos de descarga para la producción de luz, como también para el estudio de las propiedades del los materiales, Espectroscopia, dinámica de los gases y LASER.
Las lámparas de descarga en gas son utilizadas en prácticamente todas las áreas de iluminación moderna, que van desde la iluminación de casas y oficinas ( lamparas fluorescentes, y fluorescentes compactas) Iluminación decorativa y alumbrado público, hasta lámparas germicidas, lamparas para bronceado, ” Flash” electrónicos e inclusive últimamente en los faros delanteros de ciertos automóviles lujosos. Las lámparas fluorescentes son una clase especial de lámparas de descarga donde la corriente eléctrica a través del gas produce una luz ultravioleta invisible a simple vista, que es transformada en luz visible a través de una capa a base de fósforo.
Las lámparas de neón son también un tipo especial de lámpara de descarga, que dado la versatilidad, flexibilidad de los tubos plásticos que contienen el gas a baja presión y lo llamativo de los colores de la luz producida, son principalmente utilizadas en avisos luminosos.
En el presente taller sólo nos ocuparemos de las lámparas de descarga de alta intensidad (HID) de vapor metálico las cuales pueden ser principalmente de tres tipos:
- Lámparas de vapor de Mercurio
- Lámparas de Vapor de Sodio
- Lámparas de halogenuros metálicos. (Metal Halide)
En las lámparas de vapor metálico se requiere vaporizar primeramente el metal, que en frío se encuentra en estado sólido o líquido. Por ello se llenan estas lámparas de un gas noble que al encenderse genera la temperatura necesaria para vaporizar el metal. Es de hacer notar que este fenómeno requiere de un cierto tiempo que en general es de algunos minutos antes de que la lámpara funcione en sus parámetros de rendimiento óptimo. Este tiempo es lo que se denomina período de Arranque de la luminaria.
Si se introduce en un tubo de vidrio previamente evacuado una cierta cantidad de sodio sólido o mercurio liquido, el gas noble con que se llena logra transformar el metal en vapor al producirse la descarga eléctrica, obteniéndose una descarga de vapor metálico en el seno de un gas, que puede incluso provocarse o detenerse a una tensión baja normal (208 V), con electrodos precalentados o calentados (cátodos calientes). Las lámparas de vapor de mercurio funcionan según este principio.
De todo lo expuesto hasta ahora, se deduce que la luz emitida por las lámparas de vapor metálico depende de la forma decisiva del espectro de líneas de vapor metálico elegido; así pues, la lámpara de vapor de sodio da luz monocromática de color amarillo anaranjado, y la de vapor de mercurio una luz verde-azulada.
Los espectros discontinuos de estas lámparas se mejoraron por distintos medios:
En las de mercurio:
- Por combinación con luz incandescente (lámparas de luz mezcla).
- Por combinación con una capa fluorescente (lámparas de vapor de mercurio, color corregido)
- Añadiendo halógenos metálicos (lámparas de vapor de halógenos metálicos)
En las de sodio:
- Por combinación con luz de mercurio en un recipiente de metal transparente, a alta presión de llenado (lámparas de vapor de sodio a alta presión).
Lámparas de vapor de mercurio a alta presión:
Las lámparas de vapor de mercurio contienen un tubo de descarga interno hecho de cuarzo encapsulado dentro de una ampolla de vidrio exterior. Una pequeña cantidad de mercurio líquido dentro del tubo de descarga es sellado con argón ( gas noble). Luego del periodo de encendido, el gas de emite tanto luz visible como invisible (UV). Las lámparas de mercurio sin corrección de color emiten una luz una blanco-azulada, generalmente se recubre internamente la ampolla de vidrio con un material similar al que se utiliza en las lámparas fluorescentes para dar una luz parecida a la luz natural.. Las lámparas de vapor de mercurio son las que tiene una expectativa de vida mayor a las demás lámparas de vapor metálico, cercana a las 24000 horas de uso continuo. Esta tecnología fue introducida en 1934 y fueron las primeras lámparas HID de uso comercial.
Fig. 1-Lámpara de Vapor de mercurio
Lámparas de Halogenuros metálicos.( Metal Halide)
Las lámparas de halogenuros metálicos son básicamente lámparas de vapor de mercurio, sólo que dentro del tubo de descarga además del mercurio y el argón se le añaden algunas sales metálicas, las más comúnmente utilizadas son las de Yoduro de sodio y Yoduro de Litio. El uso de estos compuestos mejora sensiblemente la calidad de la luz producida así como también la eficiencia . Generalmente no se le añade la capa de fósforo para dar la apariencia de luz de día ya que la emisión de radiación UV no es muy significativa. Debido a los halogenuros, la tensión de encendido de estas lámparas es elevada haciéndose necesario el uso de un cebador o ignitor con tensiones de choque de 1.5 a 5kV. De esta forma se garantiza un encendido seguro desde -25 a. 100C
Lámparas de Vapor de sodio.
En las lámparas de vapor de sodio el tubo de descarga está construido de un material traslúcido denominado alúmina policristalina, una cerámica capaz de soportar las altas temperaturas producidas en el seno del gas ( Aproximadamente 1300C) además de que no es atacada por el sodio caliente , al contrario del cuarzo y el vidrio, los cuales no son capaces de mantener su rigidez a tan altas temperaturas. Una pequeña cantidad de sodio en combinación con gas Xenón está sellado dentro del tubo cerámico, pero debido a que el sodio caliente es capaz de percolar a través de los mismos la lámpara de vapor de sodio posee un cantidad extra de metal para garantizar una vida útil adecuada. La luz producida por las lámparas de sodio a alta presión es de un color blanco-amarillento. Debido la alta presión del gas y tal como en las lamparas de halogenuros, la tensión de encendido es elevada, haciéndose necesario el uso de un cebador o ignitor con tensiones de choque de 2.8 a 5kV. De esta forma se garantiza un encendido seguro desde -25 a 100C. Las lámparas de vapor de sodio poseen una característica que las diferencia de las de Mercurio y MH, cual es que la tensión de operación aumenta con la vida útil. Con la acumulación de horas de funcionamiento, la tensión de arco en el tubo va incrementándose sobre su valor inicial hasta que llega un momento en el que la misma es poco menor que la tensión de red (70%) lo que hace que la lámpara entre en su fase de agotamiento. Dado lo anterior se define una zona de operación para las lámparas de sodio, lo que se conoce como Trapezoide ANSI que se representa en la figura. Para que el Balasto (El dispositivo encargado de regular la corriente a través de las lámpara) cumpla con los requisitos de las lámparas de vapor de sodio a alta presión, es necesario que su curva característica pase lo más cerca posible del punto óptimo de funcionamiento ( potencia nominal – tensión de arco nominal) y que además, corte las líneas de tensión máxima y mínima, entre las que debe permanecer la curva característica durante toda la vida útil de la lámpara.
Curvas de operación permitidas para la lámpara de Sodio ( Trapezoide ANSI)
Usos de las Lámparas de HID.
Debido a su gran rendimiento y larga duración las lámparas HID son utilizadas en el alumbrado público, la iluminación de vías de circulación y el interior de las fábricas, pero aunque las lámparas de vapor de sodio poseen un gran rendimiento lumínico, son pobres en la reproducción cromática, es decir, los colores no se distinguen muy bien. Es por ello que son utilizadas en los lugares donde no es necesaria una calidad de luz, pero si una cantidad suficiente. Ej. Las vías de circulación (Autopistas, calles y avenidas).
El uso de las lámparas de mercurio está cada vez más restringido, ya que su eficiencia es menor en comparación a las de sodio. Sin embargo, debido al hecho de que no requieren de cebador o ignitor, (Lo que las hace menos costosas en comparación), además de su larga y relativamente estable vida útil conlleva a su utilización aún hoy en día.
Las lámparas de MH tienen gran capacidad de reproducción cromática lo que las hace muy populares actualmente en la iluminación de locales comerciales ( Alumbrado decorativo). Y cada vez más van sustituyendo a el uso de las lámparas incandescentes de vapor halógeno ( Bombillos dicróicos). Un uso muy común es el alumbrado deportivo ya que la luz es de una calidad relativamente alta. Las lámparas de MH de baja potencia (70-150W) están cada vez más siendo utilizadas dentro del hogar ya que el mejoramiento de la tecnología las hace cada vez más rentables y económicas.
Un uso en la actualidad es el de los faros delanteros de los automóviles, por su gran rendimiento y el desarrollo de circuitos electrónicos capaces de hacerlas encender inmediatamente, hace que sean ya equipos estándar dentro de algunos modelos lujosos.
En el siguiente cuadro podemos observar una comparación entre las distintos tipos de luminarias.
Cuadro comparativo entre los distintos tipos de lámparas de descarga
